Auteurs
dr. Verena Schulze Greiving dr. ir. Haico te Kulve dr. Kornelia Konrad prof. Stefan Kuhlmann prof. Pepijn Pinkse
In opdracht van
Wetenschappelijk Onderzoek- en Documentatiecentrum (WODC), Ministerie van Veiligheid en Justitie
Leden Begeleidingscommissie
dr. ir. R. van Est (Rathenau Instituut, voorzitter van de begeleidingscommissie) dr. ir. D.J. Maas (TNO)
drs. P. Arts (Ministerie van Veiligheid en Justitie / Innovatieteam)
mr. R.H. Hanoeman (Ministerie van Veiligheid en Justitie / Innovatieteam)
dr. mr. ir. B.H.M. Custers (Universiteit Leiden – eLaw, centrum voor recht en digitale technologie) drs. C.S. van Nassau (Wetenschappelijk Onderzoek- en Documentatiecentrum)
Cover
Afbeeldingen zijn gebruikt met dank aan het Ministerie van Defensie, Schiphol, Ten Cate en Núria Taberner Carretero.
Voorwoord
Van beschermende kleding die zeer sterk en licht is, veilige en beveiligde identificatie tot het kunnen detecteren van gevaarlijke stoffen op een plaats delict. De ontwikkelingen van en met nanotechnologie gaan razendsnel. We zien deze ontwikkelingen en Veiligheid en Justitie (VenJ) wil weten wat dit betekent voor het ministerie én de uitvoeringsdiensten.
Het innovatieteam van VenJ is aanjager van innovatie voor de hele VenJ-organisatie. Dit team zorgt ervoor dat het ministerie aanhaakt op nieuwe technologische en maatschappelijke ontwikkelingen. Daar komt ook deze verkenning voor nanotechnologie voor het veiligheidsdomein uit voort. Het innovatieteam heeft aan het WODC gevraagd om dit verkennende onderzoek naar nanotechnologie in haar programmering op te nemen. Nanotechnologie past in een ruimer kader van WODC-onderzoek naar kansen van nieuwe technologieën voor VenJ, zoals het gebruik van drones, ANPR (Automatic Number Plate Recognition) en (grootschalig) DNA onderzoek. In opdracht van het WODC heeft de universiteit Twente vervolgens het onderzoek uitgevoerd.
Wij danken het WODC, de universiteit Twente en de begeleidingscommissie voor dit rapport. De grootste waarde van dit rapport is de concrete en heldere uiteenzetting van de (mogelijke) veiligheidstoepassingen van nanotechnologie voor VenJ.
Als u, geachte lezer, na het lezen van dit rapport kansen ziet voor innovatie bij uw uitvoerende organisatie van VenJ, dan horen wij graag van u via innovatie@minvenj.nl. Het innovatieteam ondersteunt u graag met haar innovatie-instrumenten om vervolgonderzoek te doen of om een vervolgtraject in te zetten. Op deze manier kunnen uitvoeringsdiensten samen met het innovatieteam kansen omzetten in concrete acties en resultaten.
Innovatieteam Veiligheid en Justitie1
Juli 2016
1
Samenvatting
In de afgelopen 15 jaar is nanotechnologie steeds meer onder de aandacht gekomen en heeft de financiering van nanotechnologisch onderzoek een grote vlucht genomen. Een aantal producten op basis van nanotechnologie is reeds op de markt verschenen. Over het algemeen is nanotechnologie nog steeds een opkomende technologie en zijn toepassingen nog in ontwikkeling. In dit rapport wordt de betekenis van nanotechnologie voor civiele veiligheidstoepassingen besproken en de studie geeft een breed overzicht van opkomende nanotechnologieën en toepassingsdomeinen. De focus in dit rapport ligt op de kansen die nanotechnologie biedt voor veiligheidstoepassingen. Mogelijke risico’s op het gebied van bijvoorbeeld gezondheid en milieu worden niet besproken.
Op basis van een meta-literatuurstudie zijn verschillende toepassingsdomeinen geïdentificeerd en besproken in dit rapport: (i) detectie, (ii) bescherming, (iii) veilige identificatie en communicatie en (iv) defensie. Hiernaast zijn mogelijk interessante nanotechnologieën voor de veiligheidstoepassingen in deze domeinen beschreven en toegelicht. Deze resultaten zijn aangevuld met uitkomsten uit interviews (in totaal 27) met onderzoekers en experts op het gebied van nanotechnologie; bedrijven die producten leveren voor veiligheidstoepassingen; en met verwachte eindgebruikers en veiligheidspartners van het Ministerie VenJ zoals politie, brandweer, Nederlands Forensisch Instituut, Dienst Justitiële Inrichtingen, Openbaar Ministerie, Koninklijke Marchaussee en het Ministerie van Defensie. De interviews geven inzicht in de behoeftes en wensen van veiligheidspartners ten aanzien van mogelijke nanotechnologietoepassingen en in de unieke eigenschappen van nanotechnologieën voor een toepassingsgebied. In de interviews zijn eveneens verwachte uitdagingen en toekomstige ontwikkelingen voor deze toepassingsgebieden besproken.
Voor de politie, de Koninklijke Marchaussee en andere onderdelen van het Ministerie van Defensie is de detectie van chemische, biologische, radioactieve en explosieve stoffen van groot belang. De detectie van explosieven speelt hier een bijzondere rol en zou bijvoorbeeld op vliegvelden het liefst op afstand, met zo weinig mogelijk interventie en ongemak voor de passagiers moeten plaatsvinden. Voor de politie is op dit moment het detecteren van synthetische drugs en illegale drugslaboratoria een groot probleem waar nieuwe technologieën een alternatief kunnen bieden. Detectietechnologieën dienen efficiënt, effectief en betrouwbaar te zijn. Nanosensoren bieden een extra meerwaarde door op de lengteschaal van moleculen te meten, dus op enkele nanometers, waardoor zij een hoge sensitiviteit hebben en kleine concentraties tot enkele moleculen van een stof specifiek kunnen detecteren. Er wordt verwacht dat het gebruik van sensoren in de komende 5-10 jaar sterk zal toenemen, zeker voor gezondheidstoepassingen. Voor forensisch onderzoek is de detectie van biologische sporen zoals DNA, bloed, sperma, haar en huid van groot belang voor de reconstructie van strafbare feiten. Nieuwe technieken zouden gebruikt kunnen worden om sporen beter te kunnen detecteren en meer informatie te verkrijgen. Bij de politie en het Nederlands Forensisch Instituut bestaat behoefte aan draagbare detectiemethoden die kunnen worden gebruikt op de plaats delict om verdachte sporen ter plekke te analyseren. Door onderdelen van sensoren steeds kleiner te maken en te integreren wordt het mogelijk om meer detectieapparatuur draagbaar te maken. Er wordt verwacht dat in de toekomst digitale data steeds relevanter zullen worden voor de politie en het forensisch onderzoek om een misdaad op te helderen.
Beschermende kleding is van belang voor politie, brandweer, de Dienst Justitiële Inrichtingen, de Koninklijke Marchaussee en militairen. In veel gevallen is het wenselijk om relatief lichtgewicht beschermende kleding te hebben, omdat zware kleding tot verhoogde gezondheidsklachten bij gebruikers kan leiden. Ook de doorlaatbaarheid van beschermende kleding voor gevaarlijke en
kankerverwekkende stoffen in bijvoorbeeld rook is nu een belangrijk aandachtspunt waarvoor oplossingen worden gezocht. Veel onderzoek wordt gedaan naar nanomaterialen die nieuwe en verbeterde functionaliteiten hebben en hiervoor een oplossing zouden kunnen bieden. Nieuwe materialen en sensoren zouden de integratie van sensoren in kleding mogelijk kunnen maken met als doel de posities van brandweermensen en politieagenten te monitoren evenals hun fysieke gesteldheid. Belangrijke uitdagingen voor de implementatie van nieuwe materialen zijn behalve kosten ook gezondheids- en veiligheidsstandaarden.
Identificatie van personen en de verificatie van de echtheid van officiële documenten zoals (binnen- en buitenlandse) identiteitsbewijzen, visa en geld zijn van groot belang voor luchthavenbeveiliging, politie en het Openbaar Ministerie. De veiligheid van fraudegevoelige documenten zoals identiteitsbewijzen of toegangspassen voor gebouwen kan verbeterd worden met behulp van nanotechnologie. Door eigenschappen op de nanoschaal te benutten kunnen unieke identificatie en authenticatie kenmerken worden gemaakt die daardoor niet nagemaakt kunnen worden.
Ook op de gebieden opsporen en volgen van personen, authenticatie en bescherming van data bieden nanotechnologieën toepassingen. Opsporen en volgen (track and trace) is een belangrijk punt voor veel veiligheidstoepassingen zoals het volgen van politie of brandweermensen tijdens een inzet of het volgen van reizigers op verkeersknooppunten. Het beveiligingsniveau voor gevangenissen zal binnen de komende 10 jaar veranderen waarin nieuwe technologieën een interessante rol zouden kunnen spelen in het traceren van gedetineerden. Ten aanzien van authenticatie wordt verwacht dat de markt voor veilige authenticatie binnen de komende 5-10 jaar sterk zal groeien. De bescherming van sensitieve communicatie is belangrijk voor de politie, nationale veiligheidsinstellingen, organisaties binnen de overheid, banken, financiële instellingen en voor een groot aantal bedrijven. Ook het toenemend gebruik van sensoren vereist beveiligde communicatie. Naast de beveiliging van dataverkeer is ook decryptie belangrijk, bijvoorbeeld voor het ophelderen van een misdaad en om communicatie van criminelen af te kunnen luisteren. Het decoderen van data is ook van belang voor de krijgsmacht om informatie over de vijand te krijgen. Encryptie en decryptie zullen dus een steeds grotere rol spelen in defensie en informatie zal steeds belangrijker worden vergeleken met conventionele wapens. Kwantumcommunicatie, dat een zeer hoge bescherming tegen afluisteren garandeert, is nu reeds commercieel beschikbaar.
Voor defensie zijn de technologieën voor civiele toepassingen ook van groot belang, waarbij deze veelal robuuster en onder andere omstandigheden toepasbaar moeten zijn. Autonome energievoorziening voor apparatuur bijvoorbeeld is hierbij erg belangrijk. Militairen moeten vaak lange afstanden afleggen en keren niet regelmatig terug naar hun basis. Met autonome energievoorzieningen zijn ze onafhankelijker van (vaste) infrastructuur. Zonnecellen, die gebruikt kunnen worden om batterijen op te laden, kunnen door nanomaterialen energie-efficiënter worden gemaakt. Nanomaterialen kunnen ook worden toegepast om wapens lichter en stabieler te maken of voor verbeterde camouflagepatronen.
De verscheidenheid van nanotechnologieën voor de hier gepresenteerde veiligheidstoepassingen is zeer breed. Het onderzoek biedt dus een overzicht van de technologieën die beschikbaar zijn dan wel in ontwikkeling zijn. Om de kansen die nanotechnologieën bieden goed te benutten is het van belang om de dialoog tussen eindgebruikers en wetenschappers te stimuleren en zo ervoor te zorgen dat technische ontwikkelingen nauw aansluiten bij huidige en toekomstige behoeftes in de operationele praktijksituaties van het Ministerie van VenJ en haar veiligheidspartners.
Inhoudsopgave
Voorwoord ... 3
Samenvatting ... 4
1. Introductie ... 8
1.1 Onderzoeksterreinen nanotechnologie ... 8
1.2 Rol van nanotechnologie in toepassingen ... 12
1.3 Maatschappelijke discussie over relevantie en impact van nanotechnologie ... 13
1.4 Toepassingsgebieden nanotechnologie en veiligheid ... 14
1.5 Leeswijzer ... 18 2. Onderzoeksopzet en -methoden ... 19 2.1 Onderzoeksopzet ... 19 2.1.1 Onderzoeksaanpak ... 19 2.2 Onderzoeksmethoden ... 22 2.2.1 Literatuurstudie – Meta-onderzoek ... 22
2.2.2 Interviews – Experts en veiligheidspartners ... 24
2.2.3 Indeling Technology Readiness Levels ... 24
3. Detectie ... 26
3.1 Detectie van gevaarlijke en ongewenste stoffen ... 26
3.1.1 Behoeftes, prioriteiten en wensen van detectie ... 27
3.1.2 Mogelijke detectiemethodes en belangrijke eisen ... 28
3.1.3 Overzicht van nano-gebaseerde meetprincipes en technologieën ... 29
3.1.4 Verwachte uitdagingen en ontwikkelingen ... 33
3.2 Forensisch onderzoek ... 34
3.2.1 Behoeftes en wensen voor forensisch onderzoek ... 34
3.2.2 Mogelijke methoden en belangrijke eisen ... 35
3.2.3 Overzicht van nanotechnologieën voor forensisch onderzoek ... 36
3.2.4 Verwachte uitdagingen en ontwikkelingen ... 37
4. Bescherming ... 39
4.1 Bescherming van personen en infrastructuur – behoeftes en wensen ... 39
4.2 Mogelijke technologieën en belangrijke eisen ... 41
4.3 Overzicht van nanotechnologieën voor bescherming ... 42
4.4 Overzicht van nanotechnologieën voor decontaminatie en medische interventie ... 44
4.5 Verwachte uitdagingen en ontwikkelingen ... 46
5.1 Identificatie, authenticatie en anti-counterfeiting ... 47
5.1.1 Behoeftes, wensen en belangrijke eisen ... 48
5.1.2 Nanotechnologieën voor identificatie, authenticatie en anticounterfeiting ... 50
5.1.3 Verwachte uitdagingen en ontwikkelingen ... 52
5.2 Veilige communicatie ... 53
5.2.1 Nanotechnologieën voor veilige communicatie ... 54
5.2.2 Verwachte uitdagingen en ontwikkelingen ... 54
6. Defensie... 56
6.1 Militaire toepassingen en belangrijke nanotechnologieën ... 56
6.2 Verwachte uitdagingen en ontwikkelingen ... 58
7. Conclusies en aanbevelingen ... 59
7.1 Algemene bevindingen in de studie... 59
7.2 Relevantie van nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen ... 60
7.3 Richting geven aan nanotechnologieontwikkelingen voor VenJ toepassingen ... 62
8. Referenties ... 63
9. Bijlagen ... 65
9.1 Bijlage 1 – Overzicht nanotechnologieën voor veiligheidstoepassingen ... 65
9.2 Bijlage 2 - Lijst interviewpartners ... 66
1.
Introductie
“The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” December 1959, Pasadena in Californië.2
Met deze uitspraak tijdens zijn wereldberoemde lezing ‘There’s plenty of room at the bottom’ zet de Amerikaanse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman in 1959 een veel geciteerde eerste stap in de ontwikkeling van nanotechnologie. In zijn presentatie beschrijft Feynman de grote hoeveelheid mogelijkheden die miniaturisering biedt en introduceert het concept van nanotechnologie - de manipulatie en controle van materie op de atomaire schaal. Rond 1982 lukt het de Duitse Fysicus Gert Binnig samen met zijn Zwitserse collega Heinrich Rohrer voor de eerste keer om atomen zichtbaar te maken door de ontwikkeling van de scanning-tunnelingmicroscoop (STM) – een ontdekking waarvoor zij later met de Nobelprijs worden geëerd [3]. Don Eigler gebruikt de STM vervolgens om enkele atomen op een oppervlak te verplaatsen en hierdoor het IBM logo te vormen [4]. Deze demonstratie laat zien dat de controle en manipulatie op de atomaire schaal daadwerkelijk mogelijk is.
1.1
Onderzoeksterreinen nanotechnologie
De technische mogelijkheden rondom het begrijpen en manipuleren van verschijnselen op de atomaire schaal creëren hoge verwachtingen rondom nanotechnologie. Voorbeelden hiervan zijn beloftes over bijdragen van nanotechnologie aan domeinen zoals gezondheidszorg, energie, elektronica of voedsel en aan een enorme economische groei. Zo voorspelt bijvoorbeeld het adviesbureau RNCOS in 2020 een wereldwijde markt voor nanotechnologie van 76 miljard US$.3 Deze
hoge verwachtingen hebben bijgedragen aan een ‘funding race’ tussen landen. Met name sinds 2000 heeft de financiering van nanotechnologie onderzoek wereldwijd een grote vlucht genomen [5]. Na een beginfase, waar ontwikkeling veelal in het lab plaatsvond, zien we nu in toenemende mate de introductie van nanotechnologie in producten. Naast bekende toepassingen als nanodeeltjes in banden en diverse zilvernanodeeltjes toepassingen in bijvoorbeeld kleding en wasmachines, wordt nu ook geëxperimenteerd met concrete lab-on-a-chip toepassingen. Dat gezegd hebbende kan nanotechnologie nog steeds als een opkomende technologie worden gekarakteriseerd omdat er nog veel onderzoeks- en productontwikkelingswerk plaatsvindt.
Ook in Nederland wordt veel aandacht besteed aan nanotechnologie. Zo heeft de overheid samen met een consortium van 130 onderzoeksinstituten en industriële partners een onderzoeksprogramma van 250 miljoen euro opgezet dat nanotechnologie onderzoek in Nederland van 2011-2016 financierde. Het NanoNextNL programma stimuleert fundamenteel en toegepast onderzoek op de gebieden nanogeneeskunde, nanoelektronica, nanomaterialen en nanosensoren met een focus op toepassingen in gezondheid, energie, voedsel en water.4 Veiligheid is geen expliciet onderzoeksthema
binnen NanoNextNL en vaak ook niet zichtbaar als specifiek toepassingsgebied binnen nanotechnologieonderzoek zoals uit interviews naar voren komt. Er is echter een aantal gebieden met relevantie voor veiligheidskwesties, zoals sensoren voor detectie, cryptografie of beschermende kleding, waar nanotechnologie een rol in kan spelen. Hier is duidelijk een behoefte om mogelijkheden waar nanotechnologie een verschil zou kunnen maken in kaart te brengen. Voordat wij deze
2http://www.pa.msu.edu/~yang/RFeynman_plentySpace.pdf, transcript van Richard Feynmans lezing ‘Plenty
of room at the bottom’ in 1959.
3http://www.rncos.com/Market-Analysis-Reports/Nanotechnology-Market-Outlook-2020-IM687.htm 4http://www.nanonextnl.nl/
mogelijkheden verder belichten, geven wij een korte toelichting over nanotechnologie en relevante onderzoeksterreinen in het algemeen.
Nanotechnologie, of beter gezegd nanotechnologieën gezien de grote verscheidenheid in dit domein, betreft zowel de materialen als producten die hierdoor mogelijk zijn of hier gebruik van maken, evenals de technieken en processen om deze en andere producten te maken. Er worden verschillende definities van nanotechnologie gebruikt zoals bijvoorbeeld die van het Amerikaanse Nationale Nanotechnologie Initiatief die nanotechnologie als volgt karakteriseert [6]:
“Nanotechnology is the understanding and control of matter at dimensions of roughly 1 to 100 nanometers, where unique phenomena enable novel applications. A nanometer is one-billionth of a meter; a sheet of paper is about 100,000 nanometers thick. Encompassing nanoscale science, engineering, and technology, nanotechnology involves imaging, measuring, modeling, and manipulating matter at this length scale.”
Voor deze studie hanteren wij bovenstaande definitie, waarbij wij aanmerken dat wij afmetingen tussen 100 en 1000 nanometer (nm) ook als nanotechnologie beschouwen. Zichtbaar licht heeft een golflengte van 380-750 nm en speelt een belangrijke rol in nano-fotonica toepassingen en zal dus ook inbegrepen zijn in deze (aangepaste) definitie. In veel vakgebieden zoals chemie, biologie en natuurkunde spelen kleine dimensies ook een belangrijke rol, maar niet exclusief. Het verschil tussen nanotechnologie en andere vakgebieden ligt in het opzettelijk en gecontroleerd afbeelden, meten, nabootsen en manipuleren van materie op deze lengteschaal. Op deze wijze kunnen verbeterde of nieuwe eigenschappen optreden die kunnen leiden tot snellere en sensitievere sensoren, interessante oppervlakte fenomenen zoals waterafstotende eigenschappen (Lotus-effect), nieuwe moleculaire structuren of materiaaleigenschappen. Vaak voorkomende nanostructuren en technieken voor karakterisering zijn beschreven in box 1.
Zoals al duidelijk wordt bestaat nanotechnologie uit verschillende, overlappende onderzoeksterreinen. Hieronder vallen bijvoorbeeld nano-biotechnologie en nano-geneeskunde waar nanotechnologie overlapt met biologie en gebruikt wordt voor medische toepassingen. Het gebied van optica en nano-fotonica houdt zich bezig met het bestuderen van het gedrag van licht op de nanometerschaal, terwijl nano-elektronica zich met het verkleinen maar ook revolutioneren van elektrische systemen op de nanometerschaal bezighoudt. Op het gebied van nano-fluïdica wordt het gedrag, de manipulatie en controle van vloeistoffen in kleine structuren onderzocht. Nano-materialen met verbeterde of nieuwe functionaliteiten en eigenschappen spelen bij de meeste onderzoeksterreinen binnen nanotechnologie een belangrijke rol, net zoals de fabricage en karakterisering van nanostructuren en nanosystemen. Naast de technische aspecten zijn ook de maatschappelijke en ethische dimensies van nanotechnologie een belangrijk onderwerp (figuur 1).
Box 1. Nanostructuren en technieken voor karakterisering
Nanotechnologie maakt de manipulatie van enkele atomen mogelijk en werkt dus op de nanometer schaal. In de wetenschappelijke wereld staat nanometer voor 10-9 m. De kleine dimensies van
nanotechnologie kunnen duidelijk worden gemaakt door de grootte van een voetbal met de aarde te vergelijken: De grootte van een nanostructuur verhoudt zicht tot een voetbal net zoals de grootte van een voetbal tot de aarde.
De aarde is 108 keer groter dan een voetbal. De voetbal wederom is 108 keer groter dan een nanostructuur
(buckyball).
Nanodeeltjes, die afmetingen op de nanometerschaal hebben, komen in verschillende vormen en materialen voor. Zij kunnen worden gemaakt uit bijvoorbeeld metaal of plastic en ze kunnen worden gebruikt in oplossingen, als coating op een oppervlak of ze kunnen worden geïntegreerd in een matrix. Een coating die aangebracht wordt op het oppervlak van de deeltjes kan de eigenschappen van de deeltjes beïnvloeden [1].
Er bestaan verschillende soorten structuren uit koolstof die vaak worden genoemd binnen nanotechnologisch onderzoek en gebruikt kunnen worden voor bijvoorbeeld elektronische toepassingen of voor geheugens. Fullerenen, ook bekend als ‘buckyballs’, zijn moleculen bestaande uit 60 koolstofatomen (C60) die gerangschikt zijn in de vorm van een voetbal. Het aantal koolstofatomen
in deze structuren kan veranderd worden waardoor ook andere vormen kunnen ontstaan (C70 voor
een rugby ball). De geleidbaarheid van het materiaal kan worden beïnvloed door metalen of organische componenten toe te voegen[1].
Links Een enkele laag grafeen bestaande uit koolstofatomen die gerangschikt zijn in een honingraat motief. Grafiet is een opeenstapeling van grafeenlagen. Bron: Michael Ströck. Midden Een buckyball die op een voetbal lijkt en gevormd is uit koolstofatomen. Bron: AlexanderAIUS. Rechts Opgerolde grafeenvellen vormen een enkelwandige koolstofbuis of een koolstofhoorn (klein plaatje). Bron: Arnero, Lengmartin.
Vervolg Box 1. Nanostructuren en technieken voor karakterisering
Carbon nanotubes lijken qua structuur op grafiet en bestaan uit een netwerk van hexagonale ringen uit koolstof. Opgerolde vellen van grafiet vormen buizen die carbon nanotubes worden genoemd. Enkele buizen die maar een wand hebben zijn bekend als single-walled nanotubes (SWNT) met diameters van enkele nanometers en lengtes van 100 nanometers tot micrometers [2]. Meerdere koolstofbuizen die in elkaar zijn geschoven worden multi-walled nanotubes (MWNT) genoemd en kunnen grotere diameters hebben. De manier waarop de grafietvellen zijn opgerold beïnvloedt de structuur van de carbon nanotubes en daardoor ook hun eigenschappen, zoals geleidbaarheid en dichtheid [1]. Kegelvormig opgerolde grafietvellen worden carbon nanohorns genoemd. Koolstof nano-vezels worden gevormd als gebogen grafietvellen oprollen tot kegels die dan stapels vormen uit deze nano-kegels. Nano-vezels kunnen diameters hebben variërend van enkele tot honderden nanometers en lengtes tot micrometers [2]. Draden uit metaal zoals koper, goud of zilver kunnen worden gebruikt als geleidende nanodraden tussen twee elektrodes en kunnen een doorsnede in de nanometer schaal hebben en lengtes van enkele micrometers. Nanodraden kunnen ook uit halfgeleidende, isolerende of organische materialen zoals DNA worden gemaakt [1].
Kwantumdots zijn halfgeleiders met nano-afmetingen in drie dimensies met diameters tussen 2-6 nm en hebben specifieke elektronische en optische eigenschappen waardoor zij toegepast kunnen worden in transistoren, zonnepanelen of lasers. De lichtgevende eigenschappen van kwantumdots kunnen bijvoorbeeld voor specifieke golflengtes worden veranderd waardoor zij een nauwe emissie en absorptie spectrum hebben en daarom geschikt zijn als kleurstoffen maar ook voor LEDs en LCD displays.
Links Kwantumdots met verschillende kleuren. De grootte van de kwantumdots beïnvloedt de kleur van het geëmitteerde licht. Bron: PlasmaChem. Midden Pollen, gevisualiseerd met een rasterelektronenmicroscoop. Bron: Dartmouth College Electron Microscope Facility. Rechts Topografische scan van een glas oppervlak met een atoomkrachtmicroscoop. Bron: Nanorobotics Laboratory at Carnegie Mellon University.
Naast het fabriceren van nanostructuren is het karakteriseren van deze structuren belangrijk. Een aantal microscopen maken het mogelijk om kleine structuren en moleculen op de nanometerschaal zichtbaar te maken. De rasterelektronenmicroscoop (Scanning Electron Microscope, SEM) bijvoorbeeld schiet een elektronenstraal op het oppervlak van het monster en de afbuigende en weerkaatsende elektronen worden met een detector opgevangen. De opgevangen elektronen kunnen worden vertaald in een twee-dimensionaal beeld met nanometerresolutie en aanvullende informatie over de materiaalsamenstelling. De atoomkrachtmicroscoop (Atomic Force Microscope, AFM) kan ook kleine structuren op een oppervlak of in oplossing meten door met het scherpe eind van een cantilever het oppervlak af te tasten. Kleine ruwheden of structuren op het oppervlak resulteren in een buiging van de cantilever. De mate van buiging is een indicatie voor de grootte van de oneffenheden.
De overlap tussen verschillende onderzoeksterreinen binnen en buiten nanotechnologie, alsook de overlap tussen kennisgebieden op productniveau, maakt het uitdagend om de bijdrage van nanotechnologieën voor veiligheidstoepassingen te identificeren. In de praktijk betekent dit dat het vaak niet eenvoudig is om te bepalen wanneer er nu sprake is van nanotechnologie of nanotechnologisch onderzoek. Het gebruik van het label ‘nano’ kan worden ingegeven door eigenschappen en afmetingen die geassocieerd worden met de nanometerschaal, maar ook door strategische overwegingen of het aantrekkelijk of niet aantrekkelijk is om dit als ‘nano’ te labelen. Onderzoekstechnisch betekende dit dat hier expliciet aandacht aan is besteed tijdens de interviews.
1.2
Rol van nanotechnologie in toepassingen
Nanotechnologieën kunnen op verschillende manieren worden toegepast. Om de relevantie van nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen in te schatten is het van belang om aan te geven welke rollen nanotechnologieën kunnen spelen in producten, alsook in productie, ontwikkeling en dergelijke. In dit onderzoek richten wij ons vooral op producten, en niet op mogelijke toepassingen van nanotechnologie in onderzoek zoals bijvoorbeeld in geavanceerde meetinstrumenten, of in productietechnologie.
De rol die nanotechnologieën kunnen spelen, de toegevoegde waarde van haar toepassing, is mede afhankelijk van op welk niveau van productintegratie dit wordt geëvalueerd. Om een voorbeeld te geven: nanodeeltjes worden toegepast in autobanden om gripeigenschappen te verbeteren. Deze deeltjes verbeteren bestaande eigenschappen van autobanden, maar voegen in principe geen nieuwe functionaliteiten toe. Op een hoger productniveau, de auto, is deze verbetering in functionaliteit een relatief klein aspect en nagenoeg onzichtbaar als toegevoegde waarde.
Nanomaterialen kunnen ook nieuwe toepassingen creëren, zoals nanodeeltjes die gebruikt zouden kunnen worden om een sensor te maken die geplaatst kan worden op voedselverpakkingen. De sensor kan bijvoorbeeld aangeven of de verpakking open is geweest, waardoor het verpakte product, bijvoorbeeld vlees, een groter risico loopt op bederf. In dit voorbeeld maakt het gebruik van nanomaterialen een nieuwe sensor mogelijk, en uiteindelijk een nieuwe verpakking, namelijk een ‘intelligente’ verpakking.
Deze voorbeelden geven ook aan dat de relevantie van nanotechnologieën niet altijd meteen duidelijk of zichtbaar hoeft te zijn voor eindgebruikers, dan wel voor spelers (bedrijven) in de toeleveringsketen(s) van producten.
In figuur 2 hebben wij de verschillende rollen die nanotechnologieën kunnen spelen schematisch weergeven. In dit onderzoek richten wij ons op het verkennen van nanotechnologieën die bijdragen aan een significante verbetering van prestaties van eindproducten, of bijdragen aan nieuwe functionaliteiten van eindproducten. Denk bijvoorbeeld aan de ontwikkeling van een nieuw detectiesysteem waar nanomaterialen voor een uitbreiding van meetfuncties zorgen. Wij realiseren ons dat dit de kansen en mogelijkheden van nanotechnologieën tekort doet en dat dit dus mogelijk een beperking oplevert voor dit rapport.
Figuur 2 Rollen van nanotechnologieën
1.3
Maatschappelijke discussie over relevantie en impact van nanotechnologie
Inschattingen over de relevantie van nanotechnologie door ontwikkelaars en gebruikers worden mede beïnvloed door bredere maatschappelijke discussies over nanotechnologie. Deze brede discussies vormen de achtergrond voor overwegingen van individuen en organisaties en geven ook richting aan gedachtegangen en voorkeuren. Dit is bijvoorbeeld herkenbaar in de positieve inschattingen van nanotechnologietoepassingen, maar ook in geuite zorgen om risico’s van nanodeeltjes die tijdens de interviews naar voren kwamen. Deze overwegingen zijn niet altijd specifiek voor de context van nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen, maar koppelen aan bredere discussies rondom beloftes en risico’s van nanotechnologie. Om discussies en inschattingen over de relevantie van nanotechnologie, in het algemeen en voor veiligheidstoepassingen in het bijzonder, beter te kunnen plaatsen geven wij hier een kort overzicht van belangrijke ontwikkelingen in discussies over nanotechnologie.Voor een overzicht over belangrijke ontwikkelingen in maatschappelijke discussies over nanotechnologie is het zinvol om 2000 als startpunt te nemen. De start van het Amerikaanse National Nanotechnology Initiative markeert een belangrijk punt aangezien nanotechnologie op dat moment stevig op de politieke agenda komt te staan. Nanotechnologie wordt gepositioneerd als strategische wetenschap, en de US House Committee on Science benadrukte het belang van wetenschap en technologie voor economisch concurrerend vermogen. Dat wil nadrukkelijk niet zeggen dat er voorheen niet aan nanotechnologie gedaan werd, integendeel. Echter, het label ‘nanotechnologie’ wordt dan belangrijk, ook in politieke kringen. Niet alleen in de VS: op verschillende plaatsen in de wereld neemt de aandacht voor nanotechnologie toe, zowel op het gebied van media als onderzoeksfinanciering. Er ontwikkelt zich een heuse financieringsrace omdat landen niet voor elkaar willen onder doen – in de hoop de vruchten te plukken van nanotechnologie [7-10].
Nanotechnologie wordt ook belangrijk in bredere maatschappelijke discussies, mede vormgegeven door een publicatie van de oprichter van Sun Microsystems, Bill Joy. In dit artikel uit Joy zijn zorgen over zichzelf reproducerende ‘nanobots’ die de aarde zouden kunnen veranderen in een grijze massa, de zogenaamde ‘grey goo’. Dit dystopische scenario was al in de jaren negentig geïntroduceerd door
Eric Drexler. In feite zijn er twee grote verhaallijnen op dat moment: een verhaal dat de grote voordelen van nanotechnologie voor economie en maatschappij benadrukt, tot en met haast utopische toekomstbeelden; en een verhaal dat zorgen uit over de mogelijkheid om nanotechnologie te beheersen, met dystopische ‘grey goo’ scenario’s [11]. De opkomst van deze twee verhaallijnen, tegenpolen eigenlijk, is niet uniek voor nanotechnologie. Discussies over opkomende technologieën verlopen vaak volgens dit patroon [12].
De discussie verschuift begin 2000 wanneer er meer aandacht komt voor gezondheids-, milieu en veiligheidsrisico’s van nanotechnologie. In het bijzonder onzekerheden over risico’s van nanodeeltjes krijgen veel aandacht. Dit trekt ook de aandacht van grote herverzekeraars5 die zich vervolgens in de
discussie hierover gaan mengen. Vanaf dat moment ontstaan er verschillende particuliere en overheidsinitiatieven om risico’s van nanotechnologie te gaan reguleren. In toenemende mate wordt er ook onderzoek gedaan naar risico’s van nanotechnologie. In onderzoeksprogramma’s worden aparte budgetten voor risico-onderzoek vastgesteld. Risico’s van nanotechnologie, in het bijzonder nanodeeltjes, maken sindsdien een belangrijk onderdeel uit van discussies over nanotechnologietoepassingen. Dit is dermate prominent dat risico’s van deeltjes de meest dominante zorgelijke kwestie lijken te worden in evaluaties van nanotechnologie.
De volgende, en vooralsnog laatste, grote ontwikkeling in discussies over nanotechnologie is de opkomst van het idee van verantwoord innoveren. Dit concept gaat over meer technologieën dan nanotechnologie alleen, maar is wel prominent zichtbaar bij discussies over nanotechnologie. Dit begrip is in beleidskringen in Amerika en Europa nu prominent aanwezig. Net zoals het begrip duurzaamheid is het een containerbegrip waaronder diverse interpretaties vallen. Vergeleken met discussies over risico’s van nanotechnologie en pogingen om deze te reguleren, is het begrip verantwoord innoveren niet of nauwelijks begrensd. Een vaak gebruikte definitie van verantwoord innoveren stimuleert het anticiperen en inschatten van maatschappelijke verwachtingen en implicaties vroeg in de technologieontwikkeling om op deze manier onderzoek en ontwikkeling af te stemmen met maatschappelijke wensen.6 Deze open definitie laat interpretatie toe hoe het concept
van verantwoord innoveren moet worden ingevuld in de praktijk. Een van de concretere uitwerkingen van dit begrip is zichtbaar in richtlijnen voor onderzoeksactiviteiten, zoals gedragscodes. Een voorbeeld van zo’n gedragscode is de ‘code of conduct for responsible nanosciences and nanotechnologies research’ van de Europese Commissie in 2008. Deze code wordt ook gehanteerd in het onderzoeksprogramma NanoNextNL in Nederland [13].
1.4
Toepassingsgebieden nanotechnologie en veiligheid
Het veiligheidsdomein, dat wil zeggen zowel civiele veiligheid (ook wel interne veiligheid genoemd) als defensie (ook wel externe veiligheid genoemd), is een van de vele toepassingsgebieden van nanotechnologie. Binnen Europa staat veiligheid, en specifiek ook onderzoek naar nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen op de onderzoeksagenda [14]. In deze studie concentreren wij ons op civiele veiligheidstoepassingen die belangrijk zijn voor de veiligheidspartners van VenJ, zoals politie, brandweer, Nederlands Forensisch Instituut, Openbaar Ministerie, Dienst Justitiële Inrichtingen en Koninklijke Marchaussee. Uiteraard zijn veel van deze toepassingen ook interessant voor het Ministerie van Defensie, zoals persoonlijke bescherming door verbeterde uniformen en pakken, detectie van gevaarlijke stoffen of veilige communicatie en identificatie. De eisen waaraan deze
5 Herverzekeraars zijn verzekeraars die eigen risico’s laten verzekeren om zo de financiële gevolgen te
verlagen.
toepassingen moeten voldoen kunnen wel verschillen als gevolg van verschillende gebruiksscenario’s: terwijl brandweer en politie hun hoofdkantoor redelijk dichtbij hebben om batterijen op te laden of materiaal en kleding te wisselen is defensiepersoneel vaak dagen onderweg, ver van hun basis. Ook moeten toepassingen in defensiecontext vaak in extremere (verschillende) omstandigheden kunnen werken, bijvoorbeeld bij lage of hoge temperaturen, in de woestijn of tijdens slechte weersomstandigheden. In dit onderzoek richten wij ons voornamelijk op civiele toepassingen en geven wij alleen in enkele gevallen overlap met defensietoepassingen aan (dit noemen wij toepassingsgebied defensie, hoofdstuk 6).
Op basis van de literatuurstudie en aangevuld met informatie uit interviews met experts en veiligheidspartners hebben wij een overzicht gemaakt met verschillende veiligheidstoepassingen zoals weergegeven in figuur 3. De hoofdtoepassingsgebieden zoals detectie, bescherming, veilige identificatie en communicatie en defensie zijn elk weer opgesplitst in specifiekere toepassingen. Detectie wordt bijvoorbeeld onderverdeeld in detectie van stoffen relevant voor vitale infrastructuren of voor forensisch onderzoek. Bescherming wordt opgesplitst in persoonlijke bescherming en de bescherming van infrastructuur en equipment. Hierbij hoort ook de medische respons na een incident zoals bijvoorbeeld decontaminatie van personen, de omgeving of het milieu. Veilige communicatie en identificatie betreft anticounterfeiting, dus de bescherming tegen namaak, authenticatie en veilige communicatie. Het domein defensie verwijst naar defensieve hulpmiddelen en autonome systemen. Voor elk toepassingsgebied zijn verschillende nanotechnologieën geïdentificeerd die mogelijk een interessante meerwaarde kunnen bieden. De toepassingsgebieden en de geïdentificeerde nanotechnologieën zijn in detail beschreven in hoofdstukken 3 tot en met 6 waarbij elk hoofdstuk een toepassingsgebied behandelt. In het begin van elk hoofdstuk is een uitgebreide versie van figuur 3 beschreven die naast de toepassingsgebieden ook in detail de basistechnologieën aangeeft die een rol zouden kunnen spelen voor dit specifiek toepassingsgebied. Een overzicht van alle besproken nanotechnologieën voor de geïdentificeerde veiligheidstoepassingen kan worden gevonden in bijlage 1.
Fi gu u r 3. Ov erzich t ve ili gh eid sto ep ass in ge n v o o r n an o techn o logie ën
Veiligheidstoepassingen kunnen interessant zijn voor meerdere veiligheidspartners. Zo hebben bijvoorbeeld alle veiligheidspartners in deze studie interesse in detectietechnologieën. Decontaminatie methodes zijn van belang voor brandweer, het Nederlands Forensisch Instituut en het Ministerie van Defensie. Tabel 1 geeft een inschatting ten aanzien van welke veiligheidspartners geïnteresseerd zijn in bepaalde technologieën. Daarmee vervult tabel 1 ook een rol als leeswijzer voor vertegenwoordigers van veiligheidspartners geïnteresseerd in nanotechnologie toepassingen voor hun werkgebied:
de toepassing detectie wordt beschreven vanaf p. 26, beschermende kleding vanaf p. 39,
decontaminatie op p. 44, opsporen en volgen op p. 48,
veilige identificatie en authenticatie vanaf p. 47, communicatie vanaf p. 53, niet-dodelijke wapens op p. 57. Actoren Detectie Bescher-mende kleding Deconta-minatie Opsporen en volgen Veilige identifica-tie / authenti-catie Communi-catie (de/en-cryptie) Niet-dodelijke wapens Brandweer x x x x Politie x x x x x x Nederlands Forensisch Instituut x x x x Ministerie van Defensie x x x x x x x Luchthaven beveiliging x x x x Koninklijke Marchaussee x x x x x Dienst Justitiële Inrichtingen x x x x x Openbaar Ministerie x x x x
1.5
Leeswijzer
Na een introductie van nanotechnologie in het algemeen en een schets van bijbehorende onderzoeksgebieden is in dit introducerende hoofdstuk de rol van nanotechnologie in (veiligheids)toepassingen beschreven gevolgd door een overzicht van de brede maatschappelijke discussie over de relevantie en impact van nanotechnologie. In dit hoofdstuk gaven wij aan welke toepassingsdomeinen er kunnen worden onderscheiden op het gebied van veiligheid en voor welke veiligheidspartners van VenJ deze toepassingsgebieden relevant zijn. In hoofdstuk 2 worden de doelstelling, probleemstelling en onderzoeksopzet van dit onderzoek beschreven en wordt een toelichting gegeven op de gehanteerde onderzoeksmethoden voor de meta-literatuurstudie, de interviews en op de indeling van technologieën in Technology Readiness Levels. Om de leesbaarheid te bevorderen is ervoor gekozen om de bevindingen uit het onderzoek zoveel mogelijk te bundelen per toepassingsdomein. In hoofdstukken 3 tot en met 6 wordt daarom ieder toepassingsdomein afzonderlijk besproken. Per domein wordt aangegeven welke kwesties en vragen er spelen, aan welke nanotechnologieën er gewerkt wordt die relevant voor dit domein zouden kunnen zijn en welke ontwikkelingen en uitdagingen voor de toepassing van nanotechnologieën er zijn op dit gebied. Per toepassingsgebied worden enkele voorbeelden van nanotechnologieën beschreven en toegelicht. Vanwege de complexiteit van de technologieën en de scope van het onderzoek is een uitputtende beschrijving niet mogelijk. Ten slotte worden in hoofdstuk 7 algemene bevindingen besproken die relevant zijn voor alle toepassingsdomeinen en conclusies getrokken over de relevantie van nanotechnologie voor het Ministerie van VenJ en haar veiligheidspartners. Het rapport sluit af met een aantal aanbevelingen met als doel het Ministerie van VenJ en haar veiligheidspartners te ondersteunen in het anticiperen op mogelijke kansen die veiligheidstoepassingen van nanotechnologie kunnen bieden en hiervoor beleid te ontwikkelen of aan te passen.
In dit rapport zijn voetnoten gebruikt om aanvullende informatie te geven voor geïnteresseerde lezers, zoals technische details of uitleg van vaktermen. Links naar websites worden ook in voetnoten genoemd waar de lezer extra informatie kan vinden. De referenties in de tekst en voetnoten zijn opgenomen in de literatuurlijst na hoofdstuk 7.
2.
Onderzoeksopzet en -methoden
De doelstelling en probleemstelling zoals de onderzoeksvragen en de onderzoeksaanpak worden beschreven in het eerste deel van dit hoofdstuk. In sectie 2.2 worden de onderzoeksmethoden nader toegelicht.
2.1
Onderzoeksopzet
Dit onderzoek getiteld ‘Nanotechnologie in dienst van veiligheid en justitie’ is in opdracht gegeven door het Wetenschappelijk Onderzoek- en Documentatie Centrum (WODC) van het Ministerie van Veiligheid en Justitie (VenJ), Afdeling Externe Wetenschappelijke Betrekkingen. Het werk is uitgevoerd door leden van de vakgroep Science, Technology & Policy Studies in samenwerking met prof. Pepijn Pinkse van de Complex Photonic Systems groep aan de Universiteit Twente.
Aanleiding voor het onderzoek was de behoefte van het innovatieteam van het Ministerie van Veiligheid en Justitie om de toepassingen van nanotechnologie te verkennen en inzichten hieromtrent te delen met haar veiligheidspartners (zie sectie 1.4). Deze verkenning heeft als doel het Ministerie van VenJ en haar veiligheidspartners te ondersteunen in het anticiperen op mogelijke kansen die nanotechnologieën bieden voor civiele veiligheidstoepassingen. De volgende doelstelling en probleemstelling zijn geformuleerd voor het onderzoek.
Doelstelling: Doel van het onderzoek is het inzicht vergroten in de mogelijke toepassingen van nanotechnologie voor VenJ en de veiligheidspartners van VenJ.
Probleemstelling: Welke toepassingen kan nanotechnologie gaan bieden voor VenJ en de veiligheidspartners van VenJ?
Naast onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten is nanotechnologie ook onderwerp van discussie voor regelgeving en beleid, mede vanwege onduidelijkheden omtrent risico’s voor gezondheid, milieu en veiligheid (safety) als wel de maatschappelijke acceptatie en wenselijkheid van deze verzameling opkomende technologieën. In dit onderzoek ligt de nadruk op de kansen van nanotechnologie voor het Ministerie en haar veiligheidspartners en niet, of in minder mate op kwesties omtrent risico’s en nadelige effecten van nanotechnologieën op bijvoorbeeld gezondheid of milieu. Onder kansen van nanotechnologie verstaan wij in dit onderzoek mogelijke toepassingen, producten en systemen die gebruik maken van nanotechnologieën. In het bijzonder richten wij ons op nanotechnologieën waarvan verwacht wordt dat deze bijdragen tot nieuwe functionaliteiten of verbeteringen in functionaliteiten die relevant zijn voor het veiligheidsdomein.
2.1.1 Onderzoeksaanpak
De onderzoeksvragen die wij willen beantwoorden in deze studie zijn beschreven en kort toegelicht in tabel 2.
Onderzoeksvragen Toelichting
Technologie 1. Wat is nanotechnologie? Hieronder verstaan wij een duidelijke toelichting van nanotechnologie en bijbehorende definitie..
2. Welke onderzoeksterreinen zijn er (op hoofdlijnen) te onderscheiden?
Hier gaat het om een, volgens literatuur, gangbare onderscheiding in deelgebieden van nanowetenschappen en
nanotechnologieën. Toepassing 3. Welke toepassingsgebieden zijn er (op
hoofdlijnen) binnen deze onderzoeksterreinen te onderscheiden?
Hieronder verstaan wij de
toepassingsgebieden van nanotechnologie voor civiele of interne
veiligheidstoepassingen, met eventuele overlap voor defensie of externe veiligheidstoepassingen. 4. Voor welke veiligheidspartners zijn deze
toepassingsgebieden (mogelijk) relevant? En op welke wijze?
Onder veiligheidspartners verstaan wij de gebruikelijke organisaties waar VenJ haar taken en verantwoordelijkheden ten aanzien van veiligheid & justitie uitvoert (inclusief de organisaties onder
verantwoordelijkheid van VenJ). Bij relevantie gaat het om toepassingen die volgens deze organisaties meerwaarde hebben in hun huidige of voorziene toekomstige activiteiten.
5. Wat behelst nanotechnologie binnen deze voor de veiligheidspartners relevante toepassingsgebieden?
Hierbij gaat het om nieuwe
functionaliteiten en unieke eigenschappen van nanotechnologieën die een specifieke toepassing mogelijk maken en om eisen die worden gesteld aan technologieën binnen een toepassingsgebied. 6. Welke uitdagingen en ontwikkelingen zijn er
de komende jaren (tot 5-10 jaar) binnen deze gebieden te verwachten?
Hierbij gaat het om verwachte problemen of dreigingen binnen een
veiligheidsdomein en om ontwikkelingen in functionele prestaties van
nanotechnologieën. 7. Wat kan, op basis van de beantwoording
van de vragen 1 t/m 6 geconcludeerd worden over de voor de veiligheidspartners van VenJ relevante toepassingsgebieden van
nanotechnologie en de ontwikkelingen die zich hierbinnen de komende 5-10 jaar naar
verwachting zullen voordoen?
Bij deze vraag gaat het om een synthese van de eerdere onderzoeksvragen en onze interpretaties daarvan.
Tabel 2 Onderzoeksvragen en toelichting
Voor de beantwoording van de probleemstelling en de bijbehorende onderzoeksvragen is gebruik gemaakt van een onderzoeksontwerp bestaande uit 4 van elkaar afhankelijke stappen. De onderlinge relaties zijn schematisch weergegeven in figuur 4. Hieronder beschrijven wij de stappen en gehanteerde onderzoeksmethoden. In sectie 2.2 worden de onderzoeksmethoden meer in detail beschreven.
Stap 1: Analyse en karakterisering huidige situatie.
De eerste stap had als doel om i) een breed overzicht te krijgen van nanotechnologische onderzoeksgebieden en veiligheidstoepassingen en ii) de toegevoegde waarde van nanotechnologische processen en producten in beeld te brengen. Hiervoor hebben wij gebruik gemaakt van de reeds aanwezige kennis binnen het projectteam en lokale partners zoals het MESA+ instituut voor nanotechnologie aan de Universiteit Twente. Daarnaast werd een literatuurstudie van bestaande rapportages over nanotechnologie en veiligheid uitgevoerd. De literatuurstudie had als kerntaak het categoriseren van nanotechnologische onderzoeksgebieden en toepassingsgebieden op het gebied van veiligheid. Een tweede taak was om scherper inzicht te krijgen in de rol van nanotechnologie, d.w.z. de toegevoegde waarde van nanotechnologische processen en producten ten aanzien van de functionaliteit van een bepaalde toepassing.
Stap 2 en stap 3: Inschatten ontwikkelingsdynamiek en relevantie nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen
De karakterisering en karteringsactiviteiten in stap 1 leveren een goed overzicht van nanotechnologie en hoofdonderzoeksgebieden en veiligheidstoepassingen. De volgende twee stappen zijn sterk aan elkaar gerelateerd en bespreken we daarom hier gezamenlijk. In de tweede stap werd de fasering en technische haalbaarheid van de eerder geïdentificeerde veiligheidstoepassingen verkend, evenals de rol die nanotechnologie daarin speelt. Inzichten uit stap twee zijn gebruikt als input voor stap 3. Het doel van de derde stap was om de relevantie van verwachte nanotechnologietoepassingen te verkennen voor het Ministerie van Veiligheid en Justitie en haar veiligheidspartners. Hierbij gaat het om inschattingen over de relevantie voor de periode 2015-2025. Voor beide stappen zijn interviews uitgevoerd met experts op het gebied van onderzoek naar nanotechnologie, productontwikkeling en (operationeel) gebruik van veiligheidstechnologieën. Voor het inschatten van de relevantie van nanotechnologieën richtten wij ons in dit onderzoek op het verkennen van nanotechnologieën die bijdragen aan een significante verbetering van prestaties van (toekomstige) eindproducten, of bijdragen aan nieuwe functionaliteiten van eindproducten (zie ook paragraaf 1.2).
In sommige gevallen, zoals tijdens interviews met industriële partners, zijn vragen gesteld die relevant zijn voor beide stappen. Voor de interviews beoogden wij zoveel mogelijk een mix van experts te betrekken uit kennisinstellingen, industrie, en waar mogelijk ook experts op het gebied van innovatie bij het Ministerie van VenJ en haar veiligheidspartners. Van de experts verwachtten wij dat zij een breed overzicht hebben van relevante ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie of veiligheidstoepassingen in een specifiek toepassingsgebied, zoals bijvoorbeeld bescherming of detectie toepassingen.
Stap 4: Conclusies en eindrapportage
In de laatste stap worden de resultaten van de studie geanalyseerd en conclusies getrokken en verwerkt in een verslag. Het rapport is het voornaamste eindproduct van deze studie. Doel van het eindverslag is om de bevindingen en analyses van de diverse stappen te rapporteren en de onderzoeksvragen te beantwoorden. In het concluderende slothoofdstuk zullen ook algemene bevindingen aan bod komen die naar voren kwamen tijdens de analyse van de verschillende veiligheidstoepassingen.
Figuur 4. Overzicht onderzoeksontwerp
2.2
Onderzoeksmethoden
Voor het onderzoek werd eerst een literatuurstudie uitgevoerd om nanotechnologische onderzoeksgebieden en toepassingsgebieden op het gebied van veiligheid te categoriseren. Vervolgens werden interviews afgenomen om behoeftes en wensen van veiligheidspartners en de technische haalbaarheid van nanotechnologieën in kaart te brengen. De technologieën zijn ingedeeld op Technology Readiness Levels om een grove indicatie te geven in welk ontwikkelingsstadium ze zich bevinden.
2.2.1 Literatuurstudie – Meta-onderzoek
De literatuurstudie had als kerntaak het categoriseren van nanotechnologische onderzoeksgebieden en toepassingsgebieden op het gebied van veiligheid. Aangezien de studie een breed verkennend karakter heeft is ervoor gekozen om een overzicht te creëren met behulp van bestaande overzichtsstudies, in plaats van technische vakpublicaties in detail te verkennen. Een tweede taak in deze literatuurstudie was om scherper inzicht te krijgen in de rol van nanotechnologie. Nanotechnologie is veelal een ‘enabling technologie’, dat wil zeggen een technologie die bepaalde functies helpt mogelijk te maken en niet een eindproduct in zichzelf is. Voor de uiteindelijke functionaliteit van veiligheidstoepassingen zijn naast nanotechnologieën ook andere technologieën nodig, zie paragraaf 1.2.
Voor de literatuurstudie werden specifieke publicaties gezocht die nanotechnologieën voor veiligheidstoepassingen beschreven. Beide zoektermen werden gebruikt om rapporten te vinden op vooraanstaande wetenschappelijke databases zoals ‘Web of Science’ van Thomson Reuters of via Google Scholar. In de wetenschappelijke literatuur bleken weinig reviews te bestaan over nanotechnologie met betrekking tot veiligheid. Er bestaan wel een aantal rapportages over nanotechnologie en veiligheid, zoals bijvoorbeeld uitgevoerd door TNO en studies door het Europese
project ObservatoryNano. De meta-studie diende voor het identificeren van veiligheids-toepassingsgebieden en mogelijk interessante nanotechnologieën. Daarnaast werd de studie gebruikt voor een grove beschrijving van deze technologieën. Waar nodig zijn beschrijvingen aangevuld met technische details uit wetenschappelijke literatuur en interviews met experts. Beschrijvingen van de toepassingsgebieden zijn uitgebreid met inzichten uit de interviews met veiligheidspartners.
Voor de meta-studie is de volgende literatuur geïdentificeerd en verwerkt:
Observatory Nano, Nanotechnology Landscape Report, 2011, section “Intelligent, connected & safe world”
Observatory Nano, briefing no. 11, Nanosensors for explosives detection, February 2011 Observatory Nano, briefing no. 19, Nanotechnologies for secure communication, August 2011 Observatory Nano, briefing no. 8, Nanotechnologies for anti-counterfeiting applications,
December 2010
Observatory Nano, briefing no. 7, Nano-Enabled Protective Textiles, December 2010
Observatory Nano, Security Technology Sector, First year progress report, Kshitij Aditeya Singh, Institute of Nanotechnology, May 2009
Nanotechnology in Civil Security, report from Nanoforum workshop, March 2007
Pinkse, Mosk, Multiple-scattering materials as physical unclonable functions, Roadmap article (not yet published), 2015
Nanotechnology: innovation opportunities for tomorrow’s defence, TNO Science & Industry, Frank Simonis & Steven Schilthuizen, September 2005
Nanotechnology: innovation opportunities for tomorrow’s defence, TNO Science & Industry, Frank Simonis & Steven Schilthuizen, March 2006
Nanotechnology: innovation opportunities for tomorrow’s defence, TNO Science & Industry, Frank Simonis & Steven Schilthuizen, May 2009
Hierbij moet worden opgemerkt dat bovenstaande literatuur zelf een literatuurbespreking is en gebruik maakt van diverse bronnen zoals:
Wetenschappelijke artikelen Boeken
Conference proceedings en white papers Patenten
Rapporten van de Europese commissie, instituten, bedrijven of projecten
Websites van de Europese commissie, bedrijven, onderzoeksinstituten en groepen of online nieuwsberichten
Persoonlijke communicatie en workshop resultaten
De literatuurstudie diende als basis voor het maken van een overzicht van verschillende toepassingsgebieden voor nanotechnologie voor veiligheid. Omdat de meta-studie is gebaseerd op bestaande rapporten worden interpretaties en insteken van de bestaande rapporten automatisch ook meegenomen in onze literatuurstudie. Om een breder perspectief te krijgen is het overzicht uit de literatuurstudie besproken tijdens de interviews. De uitkomsten van de literatuurstudie zijn aangevuld met interviewresultaten om een zo breed mogelijk perspectief te krijgen op nanotechnologieën en de toegevoegde waarde van nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen (figuur 3).
2.2.2 Interviews – Experts en veiligheidspartners
Na de literatuurstudie werden interviews afgenomen (in totaal 27) met a) onderzoekers en experts op het gebied van nanotechnologie; b) bedrijven die producten leveren voor veiligheidstoepassingen; en c) met verwachte eindgebruikers en veiligheidspartners van het Ministerie VenJ. Bij de selectie van interviewkandidaten streefden wij er naar om zoveel mogelijk (internationaal georiënteerde) kandidaten te betrekken op basis van hun expertise in de verschillende toepassingsgebieden van nanotechnologie voor veiligheidstoepassingen uit stap 1. Experts hadden bijvoorbeeld een breed inzicht in gebieden van nanotechnologie en specifiek op relevante gebieden zoals nano-sensoren, nano-materialen of nano-fotonica. Dit stelde ons in staat een beter overzicht te krijgen van alle belangrijke toepassingsgebieden (op hoofdlijnen) van nanotechnologie voor veiligheid.
Om goede inschattingen te kunnen maken in de mogelijkheden en relevantie van nanotechnologie streefden wij ook naar een evenwichtige mix van experts uit wetenschap en andere kennisinstellingen, industrie, en waar mogelijk ook experts op het gebied van innovatie bij het Ministerie van VenJ en haar veiligheidspartners. De wetenschappelijke experts opereren veelal op groepsleider of hoogleraar niveau waardoor zij een breed overzicht hebben over ontwikkelingen in hun vakgebied. Experts uit de industrie zullen vooral verantwoordelijk zijn voor innovatie en ontwikkeling (bijvoorbeeld chief technology officers). Veiligheidspartners van het Ministerie VenJ die zijn geïnterviewd zijn onder andere van de politie, brandweer, het Nederlands Forensisch Instituut, Koninklijke Marechaussee, het Ministerie van Defensie, het Openbaar Ministerie en de Dienst Justitiële Inrichtingen. Een overzicht van alle interviewpartners is te vinden in bijlage 2.
De interviews zijn gebruikt om het overzicht van nanotechnologieën en veiligheidstoepassingen (zie paragraaf 1.4) te verifiëren en aan te vullen. Tijdens de interviews met experts en veiligheidspartners werd gevraagd of zij de relevantie van nanotechnologie of veiligheid in hun specifiek werkgebied kunnen inschatten. Expliciete aandacht werd besteed aan de meerwaarde die nanotechnologie kan bieden. Experts lichtten kritieke factoren en onzekerheden in de technologieontwikkeling toe en inschattingen werden gedaan over mogelijke ontwikkelingen van nanotechnologieën. Mogelijke eindgebruikers of veiligheidspartners werden gevraagd om aan te geven aan welke eisen nieuwe technologieën moeten voldoen om mogelijk een oplossing te kunnen bieden voor huidige of toekomstige problemen in een specifiek veiligheidsdomein. Hiernaast werd een inschatting gemaakt van verwachte ontwikkelingen in dit veiligheidsdomein in de toekomst.
Een schema met vragen werd als richtlijn gebruikt voor de interviews om vergelijkbare vragen te stellen. Een overzicht van de gebruikte schema’s voor experts en gebruikers kan gevonden worden in bijlage 3.
2.2.3 Indeling Technology Readiness Levels
Per toepassingsgebied is een inschatting gemaakt van de TRL (Technology Readiness Level) niveaus om aan te geven hoe ver de technologieën ontwikkeld zijn. De indeling van technologieën op TRL niveaus is een standaardmethode om de technische rijpheid van een technologie aan te geven en maakt gebruik van een schaal met 9 niveaus. In de indeling betekent schaal 1 dat de technologie nog in een heel vroeg ontwikkelingsstadium zit terwijl schaal 9 aangeeft dat de technologie (succesvol) gecommercialiseerd is. Een definitie van TRL niveaus zoals gebruikt door de Rijksoverheid Nederland is te vinden in figuur 5.
Door de brede scope van dit onderzoek en de vele mogelijke toepassingsmogelijkheden is het moeilijk om een TRL niveau aan een technologie te hechten, omdat het TRL stadium mede afhankelijk is van
de toepassing. Profilering van DNA is bijvoorbeeld een standaardtechniek in labs voor forensisch onderzoek en dus in een hoog TRL niveau (TRL 9) terwijl draagbare DNA profilering nog in het onderzoeksstadium is (TRL niveau 2-4). Vanwege de complexiteit in het indelen in TRL niveaus wordt er in dit rapport gebruik gemaakt van het categoriseren van technologieën in onderzoeksfase (TRL 1-4), productontwikkelingsfase (TRL 5-8) en commerciële fase (TRL 9). De indeling in TRL niveaus is gemaakt op basis van literatuur en interviews en bevestigd door een aantal geïnterviewde technische experts. Hierbij moet worden opgemerkt dat het gaat om ruwe inschattingen en niet om diepgaande analyses ten aanzien van de indeling van technologieën in specifieke TRL niveaus. Een preciezere inschatting moet worden gekoppeld aan concrete toepassingen en specifieke technologieën. Dergelijke inschattingen vallen buiten de scope van dit onderzoek.
3.
Detectie
Behoeftes, wensen en eisen voor de detectie van gevaarlijke stoffen (sectie 3.1) en voor forensische toepassingen (sectie 3.2) worden in dit hoofdstuk nader beschreven. Daarnaast worden verwachte uitdagingen en ontwikkelingen genoemd. Nanotechnologieën die mogelijk interessant zouden kunnen zijn voor deze toepassingen worden toegelicht in secties 3.1.3 en 3.2.3. Een overzicht van nanotechnologieën voor detectie is hieronder weergegeven (figuur 6) waarbij de toepassingsgebieden in donkerblauw zijn aangegeven, specifieke eigenschappen en toepassingen in blauw en de basistechnologieën in lichtblauw.
Figuur 6. Overzicht van nanotechnologieën voor detectie.
3.1
Detectie van gevaarlijke en ongewenste stoffen
Brussel, 22 maart 2016 – “Al maanden werd gevreesd voor wat dinsdag werkelijkheid wordt: in de vroege ochtend tijdens spitsuur laten terroristen zien hoe kwetsbaar de Belgische hoofdstad is. Op het Brusselse vliegveld Zaventem vallen minstens 14 doden bij een zelfmoordaanslag. Nog meer doden, naar schatting 20, vallen een uur later op metrostation Maalbeek waar een bom tot ontploffing wordt gebracht in een metrowagon. Het totaal aantal gewonden is ruim 200.”7
7http://www.nrc.nl/next/2016/03/22/de-belgen-willenzich-niet-klein-laten-krijgen-1603383, gelezen op
De recente gebeurtenissen in Brussel laten zien dat detectie van gevaarlijke stoffen belangrijke en actuele aspecten zijn op verkeersknooppunten zoals vliegvelden en treinstations. Detectie kan dus een belangrijke rol spelen bij het voorkomen van terroristische aanvallen op verkeersknooppunten en om andere vitale infrastructuren te beschermen, zoals het monitoren van de veiligheid van drinkwater of van levensmiddelen. CBRNE detectie, het herkennen van chemische (C), biologische (B), radioactieve (R), nucleaire (N) of explosieve (E) stoffen, is hiervoor het meest belangrijke. Dit geldt ook voor een brand in een fabriek of voor een gasalarm. Het meten van gevaarlijke stoffen in de lucht is essentieel om het risico van omstanders en hulpverleners beter in te kunnen schatten. De detectie van CBRNE is dus niet alleen een interessant onderwerp voor de beveiliging van de burgerluchtvaart en voor terrorismebestrijding, maar ook voor politie en brandweer. Naast CBRNE is ook de detectie van wapens interessant, evenals het opsporen van mensen en dieren om mensensmokkel tegen te gaan en illegaal geïmporteerde dieren te vinden. Daarnaast zijn ook drugs en verdovende middelen targets voor detectie bij de politie of de Dienst Justitiële Inrichtingen. Er zijn legio mogelijkheden voor het toepassen van detectiesystemen. Analyse van het rioolwater bijvoorbeeld rondom gevangenissen kan een indicatie geven over het gebruik van drugs en de aanwezigheid van nieuwe synthetische drugs.
3.1.1 Behoeftes, prioriteiten en wensen van detectie
Uit gesprekken met veiligheidspartners blijkt dat nucleaire en radioactieve stoffen op dit moment niet de grootste dreiging voor verkeersknooppunten zijn. Een aanval met deze stoffen kan uiteraard wel grote gevolgen hebben waarbij naast de vroege detectie ook ontsmetting van personen, de omgeving en het milieu een belangrijke rol speelt. Op vliegvelden is vooral de detectie van explosieven van groot belang. Dit geldt ook voor chemische aanvallen omdat chemische stoffen vaak verspreid worden door detonatie. De detectie van kleine hoeveelheden explosieven bij passagiers op vliegvelden en bij luchtvracht wordt nu vaak met honden uitgevoerd (zie figuur 7). De training van honden is duur, en hond en begeleider moeten beschikbaar zijn als een verdacht object wordt gevonden. Het nemen van monsters bij verdachte objecten is niet altijd eenvoudig omdat gevaar voor ontploffing groot is en aanraking met objecten bij voorkeur wordt voorkomen. Zo kan er vals alarm optreden tijdens het detecteren van explosieven door glycerine in handcrème of door kruidresten aan kleding of huid van iemand die een schot heeft gelost maar geen wapen bij zich draagt, bijvoorbeeld bij een jager. Sensoren die nauwkeurig explosieve stoffen zouden kunnen detecteren, het liefst op afstand en met zo weinig mogelijk interventie en ongemak voor de passagiers, zouden een interessant alternatief kunnen bieden voor de huidige methoden. Vooral op treinstations zijn veiligheidscontroles minder geaccepteerd terwijl hier ook een dreiging bestaat.
Voor de identificatie van gevaarlijke stoffen bij een brand wordt nu de concentratie van verwachte stoffen met meetbuisjes en explosie- of radioactiviteit-meters gedetecteerd, maar deze zijn specifiek voor een aantal stoffen zoals ammoniak of zoutzuur. Hier zou het van belang zijn om een groter aantal stoffen te kunnen detecteren. Ook de detectie van gas is moeilijk, zeker als buitenshuis wordt gemeten waardoor een inschatting van de gas concentratie in de woning moeilijk is. Gevoeligere explosieven-meters zouden hiervoor van grote waarde kunnen zijn.
Het detecteren van synthetische drugs en illegale drugslaboratoria is een grote uitdaging voor de politie. Detectie van specifieke wateroplosbare stoffen in het rioolwater zou een indicatie kunnen geven voor aanzienlijk drugsgebruik in een omgeving of voor een illegaal lab. Indicatieve stoffen en verhoogde concentraties hiervan zouden ook in de lucht kunnen worden gemeten. Productie van drugs vindt vaak in landelijke streken plaats waar ook veel boerderijen zijn, waardoor interferentie
met ammoniak mogelijk is. Naast illegale drugslaboratoria speelt ook het opsporen van zelfgemaakte explosieven een belangrijke rol. Bij de politie worden naast honden ook ratten gebruikt voor de detectie van explosieven en voor kruidresten. Ratten zijn echter angstig in nieuwe situaties, maar kunnen wel snel en eenduidig een respons geven. Een snelle bemonstering en detectie zou helpen om ter plekke mensen te kunnen identificeren, bijvoorbeeld bij een schietpartij.
Figuur 7. Voor de detectie
van explosieven in bagage en (lucht)vracht worden honden gebruikt. Deze worden ook ingezet om mensen op te kunnen sporen die illegaal het land in proberen te komen (links). Bron: Ministerie van Defensie. Snelle tests om ziektes te kunnen detecteren zijn niet alleen van belang in de gezondheidszorg maar ook voor gevangenissen om gedetineerden op bijvoorbeeld tuberculose te kunnen testen (rechts). Bron: Dienst Justitiële Inrichtingen
In de gevangenis worden gedetineerden, maar ook bezoekers en personeel, bij de toegang tot het gebouw gecontroleerd. Dit gebeurt door een snuffel-sluis of met honden, die ook worden gebruikt om de cellen naar illegale drugs te doorzoeken. Hiernaast worden urinetests gedaan maar deze zijn manipuleerbaar of vormen een grote inbreuk in de privacy als het monster moet worden afgeleverd in bijzijn van personeel. Alternatieve, betrouwbare en moeilijk manipuleerbare methoden zouden wenselijk zijn. Naast de detectie van drugs speelt ook het testen op tuberculose een grote rol in gevangenissen om infectieziektes te voorkomen die door gedetineerden uit het buitenland of daklozen kunnen worden overgedragen. Nu wordt hiervoor geprikt, een methode geïllustreerd in figuur 6, die vaak vals positieve uitslagen geeft. Het alternatief is om longfoto’s te maken – een methode die niet eenvoudig uitvoerbaar is. Makkelijke en betrouwbare alternatieven hiervoor zijn dus wenselijk.
3.1.2 Mogelijke detectiemethodes en belangrijke eisen
Nieuwe technologieën voor het vliegveld moeten passagiervriendelijk, efficiënt en effectief zijn. Ze moeten een grote doorstroom aankunnen en op grote schaal toepasbaar zijn, met een beperkte analysetijd (zie ook figuur 8). Passagiers fouilleren is aan de ene kant ongemakkelijk voor de passagiers en kost aan de andere kant veel tijd – idealiter zouden de passagiers zo door kunnen lopen en op afstand gescand worden. Verder zouden nieuwe technologieën flexibel moeten zijn zodat nieuwe dreigingen toegevoegd kunnen worden, of via de technologie of via de software. Het beperken van valse alarmen is een zeer belangrijk punt op vliegvelden, omdat de gevolgen hiervan, grootschalige ontruimingen, grote impact hebben. Het meten van kleine hoeveelheden is een interessant onderwerp voor CBRNE detectie maar ook voor de detectie van brand in een vroeg stadium zodat de brandweer kan reageren voordat de brand echt is ontwikkeld. In situaties waar redelijk veel tijd is, bijvoorbeeld voor het opsporen van menselijke botten na bijvoorbeeld een bekentenis van een
